《嵌入式工程師到底要不要學(xué)習(xí)ARM匯編指令？arm學(xué)習(xí)文章匯總》

《到底什么是Cortex、ARMv8、arm架構(gòu)、ARM指令集、soc？一文幫你梳理基礎(chǔ)概念【科普】》
關(guān)于ARM指令用到的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境可以參考下面這篇文章
《1. 從0開(kāi)始學(xué)ARM-安裝Keil MDK uVision集成開(kāi)發(fā)環(huán)境》
《2. 從0開(kāi)始學(xué)ARM-CPU原理，基于ARM的SOC講解》
《3. 從0開(kāi)始學(xué)ARM-ARM模式、寄存器、流水線》
《4. 從0開(kāi)始學(xué)ARM-ARM指令，移位、數(shù)據(jù)處理、BL、機(jī)器碼》
《5. 從0開(kāi)始學(xué)ARM-MRS、MSR、尋址操作、原子操作原理》
《6. 從0開(kāi)始學(xué)ARM-異常及中斷處理、異常向量表、swi》

八、GNU偽指令、代碼編譯，lds使用

一、MDK和GNU偽指令區(qū)別

我們?cè)趯W(xué)習(xí)匯編代碼的時(shí)候經(jīng)過(guò)會(huì)看到以下兩種風(fēng)格的代碼：

gnu代碼開(kāi)頭是：

.global _start _start: @匯編入口ldr sp,=0x41000000 .end @匯編程序結(jié)束

MDK代碼開(kāi)頭是：

AREA Example,CODE,READONLY ;聲明代碼段ExampleENTRY ;程序入口 Start MOV R0,#0 OVEREND

這兩種風(fēng)格的代碼是要使用不同的編譯器，我們之前的實(shí)例代碼都是MDK風(fēng)格的。

那么多對(duì)于我們初學(xué)者來(lái)說(shuō)要學(xué)習(xí)哪種風(fēng)的呢？
答案是肯定的，學(xué)習(xí)GNU風(fēng)格的匯編代碼，因?yàn)樽鯨inux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)必須掌握的linux內(nèi)核、uboot，而這兩個(gè)軟件就是GNU風(fēng)格的。

為了大家不要把過(guò)多精力浪費(fèi)在暫時(shí)沒(méi)用的知識(shí)上，下面我們只講GNU風(fēng)格匯編。

二、GNU匯編書(shū)寫(xiě)格式：

1. 代碼行中的注釋符號(hào):

‘@’ 整行注釋符號(hào):
‘#’ 語(yǔ)句分離符號(hào):
直接操作數(shù)前綴: ‘#’ 或 ‘$’

2. 全局標(biāo)號(hào)：

標(biāo)號(hào)只能由a～z，A～Z，0～9，“.”，_等（由點(diǎn)、字母、數(shù)字、下劃線等組成，除局部標(biāo)號(hào)外，不能以數(shù)字開(kāi)頭）字符組成，標(biāo)號(hào)的后面加“：”。

段內(nèi)標(biāo)號(hào)的地址值在匯編時(shí)確定； 段外標(biāo)號(hào)的地址值在連接時(shí)確定。

3. 局部標(biāo)號(hào):

局部標(biāo)號(hào)主要在局部范圍內(nèi)使用而且局部標(biāo)號(hào)可以重復(fù)出現(xiàn)。它由兩部組成開(kāi)頭是一個(gè)0-99直接的數(shù)字局部標(biāo)號(hào) 后面加“:”

F：指示編譯器只向前搜索，代碼行數(shù)增加的方向 / 代碼的下一句 B：指示編譯器只向后搜索，代碼行數(shù)減小的方向

注意局部標(biāo)號(hào)的跳轉(zhuǎn)，就近原則
舉例：

文件位置 arch/arm/kernel/entry-armv.S

三、偽操作：

1. 符號(hào)定義偽指令

標(biāo)號(hào)含義

.global	使得符號(hào)對(duì)連接器可見(jiàn)，變?yōu)閷?duì)整個(gè)工程可用的全局變量
_start	匯編程序的缺省入口是_ start標(biāo)號(hào),用戶也可以在連接腳本文件中用ENTRY標(biāo)志指明其它入口點(diǎn).
.local	表示符號(hào)對(duì)外部不可見(jiàn)，只對(duì)本文件可見(jiàn)

2. 數(shù)據(jù)定義（Data Definition）偽操作

數(shù)據(jù)定義偽操作一般用于為特定的數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)單元，同時(shí)可完成已分配存儲(chǔ)單元的初始化。
常見(jiàn)的數(shù)據(jù)定義偽操作有如下幾種：

標(biāo)號(hào)含義

.byte	單字節(jié)定義 0x12,‘a(chǎn)’,23 【必須偶數(shù)個(gè)】
.short	定義2字節(jié)數(shù)據(jù) 0x1234,65535
.long /.word	定義4字節(jié)數(shù)據(jù) 0x12345678
.quad	定義8字節(jié) .quad 0x1234567812345678
.float	定義浮點(diǎn)數(shù) .float 0f3.2
.string/.asciz/.ascii	定義字符串 .ascii “abcd\0”, 注意：.ascii 偽操作定義的字符串需要每行添加結(jié)尾字符 ‘\0’，其他不需要
.space/.skip	用于分配一塊連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域并初始化為指定的值，如果后面的填充值省略不寫(xiě)則在后面填充為0;
.rept	重復(fù)執(zhí)行接下來(lái)的指令，以.rept開(kāi)始，以.endr結(jié)束

【舉例】

.word

val: .word 0x11223344 mov r1,#val ;將值0x11223344設(shè)置到寄存器r1中

.space

label: .space size,expr ;expr可以是4字節(jié)以內(nèi)的浮點(diǎn)數(shù) a: space 8, 0x1

.rept

.rept cnt ;cnt是重復(fù)次數(shù).endr

注意：

變量的定義放在，stop后，.end前

標(biāo)號(hào)是地址的助記符，標(biāo)號(hào)不占存儲(chǔ)空間。位置在end前就可以，相對(duì)隨意。

3. if選擇

語(yǔ)法結(jié)構(gòu)

.if logical-expressing …… .else…… .endif

類似c語(yǔ)言里的條件編譯 。

【舉例】

.if val2==1mov r1,#val2 .endif

4. macro宏定義

.macro，.endm 宏定義類似c語(yǔ)言里的宏函數(shù) 。

macro偽操作可以將一段代碼定義為一個(gè)整體，稱為宏指令。然后就可以在程序中通過(guò)宏指令多次調(diào)用該段代碼。

語(yǔ)法格式：

.macro {$label} 名字{$parameter{,$parameter}…}……..code.endm

其中，$標(biāo)號(hào)在宏指令被展開(kāi)時(shí)，標(biāo)號(hào)會(huì)被替換為用戶定義的符號(hào)。

宏操作可以使用一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，當(dāng)宏操作被展開(kāi)時(shí)，這些參數(shù)被相應(yīng)的值替換。

注意：先定義后使用

舉例：

【例1】：沒(méi)有參數(shù)的宏實(shí)現(xiàn)子函數(shù)返回

.macro MOV_PC_LRMOV PC,LR.endm 調(diào)用方式如下：MOV_PC_LR

【例2】：帶參數(shù)宏實(shí)現(xiàn)子函數(shù)返回

.macro MOV_PC_LR ,parammov r1,\paramMOV PC,LR.endm

調(diào)用方法如下:

MOV_PC_LR #12

四、雜項(xiàng)偽操作

標(biāo)號(hào)含義

.global/	用來(lái)聲明一個(gè)全局的符號(hào)
.arm	定義一下代碼使用ARM指令集編譯
.thumb	定義一下代碼使用Thumb指令集編譯
.section	.section expr 定義一個(gè)段。expr可以使.text .data. .bss
.text	.text {subsection} 將定義符開(kāi)始的代碼編譯到代碼段
.data	.data {subsection} 將定義符開(kāi)始的代碼編譯到數(shù)據(jù)段,初始化數(shù)據(jù)段
.bss	.bss {subsection} 將變量存放到.bss段,未初始化數(shù)據(jù)段
.align	.align{alignment}{,fill}{,max} 通過(guò)用零或指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充來(lái)使當(dāng)前位置與指定邊界對(duì)齊
	.align 4 — 16字節(jié)對(duì)齊 2的4次方
	.align (4) — 4字節(jié)對(duì)齊
.org	.org offset{,expr} 指定從當(dāng)前地址加上offset開(kāi)始存放代碼，并且從當(dāng)前地址到當(dāng)前地址加上offset之間的內(nèi)存單元，用零或指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充
.extern	用于聲明一個(gè)外部符號(hào)，用于兼容性其他匯編
.code 32	同.arm
.code 16	同.thumb
.weak	用于聲明一個(gè)弱符號(hào)，如果這個(gè)符號(hào)沒(méi)有定義，編譯就忽略，而不會(huì)報(bào)錯(cuò)
.end	文件結(jié)束
.include	.include “filename” 包含指定的頭文件, 可以把一個(gè)匯編常量定義放在頭文件中
.equ	格式：.equ symbol, expression把某一個(gè)符號(hào)(symbol)定義成某一個(gè)值(expression).該指令并不分配空間，類似于c語(yǔ)言的 #define
.set	給一個(gè)全局變量或局部變量賦值，和.equ的功能一樣

舉例：
.set

.set start, 0x40 mov r1, #start ;r1里面是0x40

舉例
.equ

.equ start, 0x40 mov r1, #start ;r1里面是0x40 #define PI 3.1415

等價(jià)于

.equ PI, 31415

五、GNU偽指令

關(guān)鍵點(diǎn)：偽指令在編譯時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的ARM指令

ADR偽指令 ：
該指令把標(biāo)簽所在的地址加載到寄存器中。
ADR偽指令為小范圍地址讀取偽指令，使用的相對(duì)偏移范圍：當(dāng)?shù)刂分凳亲止?jié)對(duì)齊 (8位) 時(shí)，取值范圍為-255～255，當(dāng)?shù)刂分凳亲謱?duì)齊 (32位) 時(shí)，取值范圍為-1020～1020。
語(yǔ)法格式:

ADR{cond} register,labelADR R0, lable

ADRL偽指令：
將中等范圍地址讀取到寄存器中

ADRL偽指令為中等范圍地址讀取偽指令。使用相對(duì)偏移范圍：當(dāng)?shù)刂分凳亲止?jié)對(duì)齊時(shí)，取值范圍為-64～64KB；當(dāng)?shù)刂分凳亲謱?duì)齊時(shí)，取值范圍為-256～256KB

語(yǔ)法格式：

ADRL{cond} register,label ADRL R0，lable

LDR偽指令:
LDR偽指令裝載一個(gè)32位的常數(shù)和一個(gè)地址到寄存器。
語(yǔ)法格式：

LDR{cond} register,=[expr|label-expr] LDR R0，=0XFFFF0000 ； mov r1,#0x12 對(duì)比一下

注意：
（1）ldr偽指令和ldr指令區(qū)分
下面是ldr偽指令：

ldr r1,=val @ r1 = val 是偽指令，將val標(biāo)號(hào)地址賦給r1 【與MDK不一樣，MDK只支持ldr r1,=val】

下面是ldr指令：

ldr r2,val @ r1 = *val 是arm指令,將標(biāo)號(hào)val地址里的內(nèi)容給r2 val: .word 0x11223344

（2）如何利用ldr偽指令實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)

ldr pc，=32位地址

（3）編碼中解決非立即數(shù)的問(wèn)題
用arm偽指令ldr

ldr r0,=0x999 ；0x999 不是立即數(shù)，

六、GNU匯編的編譯

1. 不含lds文件的編譯

假設(shè)我們有以下代碼，包括1個(gè)main.c文件，1個(gè)start.s文件：
start.s

.global _start _start: @匯編入口ldr sp,=0x41000000b main .global mystrcopy .text mystrcopy: //參數(shù)dest->r0,src->r2LDRB r2, [r1], #1STRB r2, [r0], #1CMP r2, #0 //判斷是不是字符串尾BNE mystrcopyMOV pc, lr stop:b stop @死循環(huán)，防止跑飛 等價(jià)于while(1) .end @匯編程序結(jié)束

main.c

extern void mystrcopy(char *d,const char *s); int main(void) {const char *src ="yikoulinux";char dest[20]={};mystrcopy(dest,src);//調(diào)用匯編實(shí)現(xiàn)的mystrcopy函數(shù)while(1);return 0; }

Makefile編寫(xiě)方法如下：

1. TARGET=start 2. TARGETC=main 3. all: 4. arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGETC).o $(TARGETC).c 5. arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -c -o $(TARGET).o $(TARGET).s 6. #arm-none-linux-gnueabi-gcc -O0 -g -S -o $(TARGETC).s $(TARGETC).c 7. arm-none-linux-gnueabi-ld $(TARGETC).o $(TARGET).o -Ttext 0x40008000 -o $(TARGET).elf 8. arm-none-linux-gnueabi-objcopy -O binary -S $(TARGET).elf $(TARGET).bin 9. clean: 10. rm -rf *.o *.elf *.dis *.bin

Makefile含義如下：

定義環(huán)境變量TARGET=start，start為匯編文件的文件名

定義環(huán)境變量TARGETC=main，main為c語(yǔ)言文件

目標(biāo)：all，4~8行是該指令的指令語(yǔ)句

將main.c編譯生成main.o,$(TARGETC)會(huì)被替換成main

將start.s編譯生成start.o,$(TARGET)會(huì)被替換成start

4-5也可以用該行1條指令實(shí)現(xiàn)

通過(guò)ld命令將main.o、start.o鏈接生成start.elf,-Ttext 0x40008000表示設(shè)置代碼段起始地址為0x40008000

通過(guò)objcopy將start.elf轉(zhuǎn)換成start.bin文件，-O binary (或–out-target=binary) 輸出為原始的二進(jìn)制文件,-S (或 --strip-all)輸出文件中不要重定位信息和符號(hào)信息，縮小了文件尺寸，

clean目標(biāo)

clean目標(biāo)的執(zhí)行語(yǔ)句，刪除編譯產(chǎn)生的臨時(shí)文件

【補(bǔ)充】

gcc的代碼優(yōu)化級(jí)別，在 makefile 文件中的編譯命令
4級(jí) O0 – O3 數(shù)字越大，優(yōu)化程度越高。O3最大優(yōu)化

volatile作用
volatile修飾的變量，編譯器不再進(jìn)行優(yōu)化，每次都真正訪問(wèn)內(nèi)存地址空間。

2. 依賴lds文件編譯

實(shí)際的工程文件，段復(fù)雜程度遠(yuǎn)比我們這個(gè)要復(fù)雜的多，尤其Linux內(nèi)核有幾萬(wàn)個(gè)文件，段的分布及其復(fù)雜，所以這就需要我們借助lds文件來(lái)定義內(nèi)存的分布。

main.c和start.s和上一節(jié)一致。

map.lds

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") /*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/ OUTPUT_ARCH(arm) ENTRY(_start) SECTIONS {. = 0x40008000;. = ALIGN(4);.text :{.start.o(.text)*(.text)}. = ALIGN(4);.rodata : { *(.rodata) }. = ALIGN(4);.data : { *(.data) }. = ALIGN(4);.bss :{ *(.bss) } }

解釋一下上述的例子:

OUTPUT_FORMAT(“elf32-littlearm”, “elf32-littlearm”, “elf32-littlearm”)
指定輸出object檔案預(yù)設(shè)的binary 文件格式。可以使用objdump -i列出支持的binary 文件格式；

OUTPUT_ARCH(arm) 指定輸出的平臺(tái)為arm，可以透過(guò)objdump -i查詢支持平臺(tái)；

ENTRY(_start) ：將符號(hào)_start的值設(shè)置成入口地址；

. = 0x40008000: 把定位器符號(hào)置為0x40008000(若不指定, 則該符號(hào)的初始值為0)；

.text : { .start.o(.text) *(.text) } :前者表示將start.o放到text段的第一個(gè)位置，后者表示將所有(*符號(hào)代表任意輸入文件)輸入文件的.text section合并成一個(gè).text section；

.rodata : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.rodata section合并成一個(gè).rodata section；

.data : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.data section合并成一個(gè).data section；

.bss : { *(.bss) } : 將所有輸入文件的.bss section合并成一個(gè).bss section；該段通常存放全局未初始化變量

. = ALIGN(4);表示下面的段4字節(jié)對(duì)齊

連接器每讀完一個(gè)section描述后, 將定位器符號(hào)的值增加該section的大小。

來(lái)看下，Makefile應(yīng)該如何寫(xiě)：

# CORTEX-A9 PERI DRIVER CODE # VERSION 1.0 # ATHUOR 一口Linux # MODIFY DATE # 2020.11.17 Makefile #=================================================# CROSS_COMPILE = arm-none-linux-gnueabi- NAME =start CFLAGS=-mfloat-abi=softfp -mfpu=vfpv3 -mabi=apcs-gnu -fno-builtin -fno-builtin-function -g -O0 -c LD = $(CROSS_COMPILE)ld CC = $(CROSS_COMPILE)gcc OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump OBJS=start.o main.o #================================================# all: $(OBJS)$(LD) $(OBJS) -T map.lds -o $(NAME).elf$(OBJCOPY) -O binary $(NAME).elf $(NAME).bin $(OBJDUMP) -D $(NAME).elf > $(NAME).dis %.o: %.S $(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $< %.o: %.s $(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $< %.o: %.c$(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $< clean:rm -rf $(OBJS) *.elf *.bin *.dis *.o

編譯結(jié)果如下：

最終生成start.bin,改文件可以燒錄到開(kāi)發(fā)板測(cè)試，因?yàn)楸纠龥](méi)有直觀現(xiàn)象，后續(xù)文章我們加入其它功能再測(cè)試。

【注意】

其中交叉編譯工具鏈arm-none-linux-gnueabi- 要根據(jù)自己實(shí)際的平臺(tái)來(lái)選擇，本例是基于三星的exynos-4412工具鏈實(shí)現(xiàn)的。

地址0x40008000也不是隨便選擇的，
讀者可以根據(jù)自己手里的開(kāi)發(fā)板對(duì)應(yīng)的soc手冊(cè)查找該地址。

1）linux內(nèi)核的異常向量表

linux內(nèi)核的內(nèi)存分布也是依賴lds文件定義的，linux內(nèi)核的編譯我們暫不討論，編譯好之后會(huì)再以下位置生成對(duì)應(yīng)的lds文件:

arch/arm/kernel/vmlinux.lds

我們看下該文件的部分內(nèi)容：

OUTPUT_ARCH(arm)制定對(duì)應(yīng)的處理器；

ENTRY(stext)表示程序的入口是stext。

同時(shí)我們也可以看到linux內(nèi)存的劃分更加的復(fù)雜，后續(xù)我們討論linux內(nèi)核，再繼續(xù)分析該文件。

3. elf文件和bin文件區(qū)別：

1） ELF

ELF文件格式是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，各種UNIX系統(tǒng)的可執(zhí)行文件都采用ELF格式，它有三種不同的類型：

• 可重定位的目標(biāo)文件（Relocatable，或者Object File）
• 可執(zhí)行文件（Executable）
• 共享庫(kù)（Shared Object，或者Shared Library）

ELF格式提供了兩種不同的視角，鏈接器把ELF文件看成是Section的集合，而加載器把ELF文件看成是Segment的集合。

2） bin

BIN文件是直接的二進(jìn)制文件，內(nèi)部沒(méi)有地址標(biāo)記。bin文件內(nèi)部數(shù)據(jù)按照代碼段或者數(shù)據(jù)段的物理空間地址來(lái)排列。一般用編程器燒寫(xiě)時(shí)從00開(kāi)始，而如果下載運(yùn)行，則下載到編譯時(shí)的地址即可。

在Linux OS上，為了運(yùn)行可執(zhí)行文件，他們是遵循ELF格式的，通常gcc -o test test.c，生成的test文件就是ELF格式的，這樣就可以運(yùn)行了，執(zhí)行elf文件，則內(nèi)核會(huì)使用加載器來(lái)解析elf文件并執(zhí)行。

在Embedded中，如果上電開(kāi)始運(yùn)行，沒(méi)有OS系統(tǒng)，如果將ELF格式的文件燒寫(xiě)進(jìn)去，包含一些ELF文件的符號(hào)表字符表之類的section，運(yùn)行碰到這些，就會(huì)導(dǎo)致失敗，如果用objcopy生成純粹的二進(jìn)制文件，去除掉符號(hào)表之類的section，只將代碼段數(shù)據(jù)段保留下來(lái)，程序就可以一步一步運(yùn)行。

elf文件里面包含了符號(hào)表等。BIN文件是將elf文件中的代碼段，數(shù)據(jù)段，還有一些自定義的段抽取出來(lái)做成的一個(gè)內(nèi)存的鏡像。

并且elf文件中代碼段數(shù)據(jù)段的位置并不是它實(shí)際的物理位置。他實(shí)際物理位置是在表中標(biāo)記出來(lái)的。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的7. 从0学ARM-GNU伪指令、代码编译，lds使用的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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